このプロトコールは、脱細胞化された精密切断肺スライスに肺胞上皮2型細胞、線維芽細胞、および内皮細胞を再移入することによって、再現性のある小規模の操作された肺組織を生成する方法を記載している。
エクスビボでの天然肺胞の建築的および細胞的複雑さを再現する改良された3次元(3D)肺モデルが必要である。最近開発されたオルガノイドモデルは、インビトロでの肺上皮前駆細胞の拡大および研究を促進したが、これらのプラットフォームは、典型的には、マウス腫瘍由来マトリックスおよび/または血清に依存し、1つまたは2つの細胞系譜のみを組み込んでいる。ここでは、脱細胞化精密切断肺スライス(PCLS)の多系統再細胞化に基づいて人工肺組織(ELT)を生成するためのプロトコルについて説明する。ELTは、天然の肺によく似た細胞外マトリックス(ECM)基質内に、肺胞上皮、間葉、および内皮を含む肺胞様構造を含む。組織を生成するために、ラット肺をアガロースで膨張させ、厚さ450μmのスライスにスライスし、ストリップに切断し、脱細胞化する。得られた無細胞ECM足場を、次いで、初代内皮細胞、線維芽細胞、および肺胞上皮2型細胞(AEC2s)で再播種する。AEC2sは、無血清の化学的に定義された増殖培地を用いてELT培養で少なくとも7日間維持することができる。組織調製および培養プロセス全体を通して、スライスはカセットシステムにクリップされ、複数のELTの取り扱いおよび標準化された細胞播種を並行して容易にする。これらのELTは、肺胞内の細胞間および細胞-マトリックス相互作用、ならびにAEC2sおよびそのニッチを調節する生化学的シグナルの調査を容易にする有機型培養プラットフォームを表す。
肺胞は遠位肺の機能単位であり、肺胞上皮1型細胞(AEC1)および2型細胞(AEC2s)によって裏打ちされたガス交換空域の網目を含む。上皮の根底にあるのは、毛細血管の緻密なネットワークと支持する間葉であり、これらはすべて、これらの繊細な気嚢1に強度と柔軟性の両方を提供する細胞外マトリックス(ECM)足場によって支えられている。肺胞はまた、特発性肺線維症2、急性呼吸窮迫症候群3、および重度のコロナウイルス疾患-19(COVID-19)4を含む多数の肺病理における傷害部位でもある。過去10年間の研究により、肺上皮内の顕著な可塑性が明らかになりましたが、一部の環境では遠位肺修復を可能にし、他の環境では修復を妨げるメカニズムは、依然として激しい調査の領域です5。肺胞をモデル化するための改良された in vitro プラットフォームの開発は、肺胞生物学、再生、および治療の研究を容易にするであろう。
AEC2sは自己再生してAEC1に分化し、したがって遠位肺6、7、8の初代幹細胞と考えられている。しかしながら、これらの細胞は、表現型9を失うことなく初代AEC2sを培養することに関連する困難さを考えると、in vitro研究に特に課題を提起する。従来の2次元(2D)培養では、AEC2sはAEC1様細胞10の平坦化およびいくつかの特徴を採用する。対照的に、3D培養戦略(最も一般的にはオルガノイド)は、初代AEC2s6、11、12の分化特徴の維持を支持し、多能性幹細胞(PSC)由来AEC2s 13、14の長期培養を可能にする。オルガノイドは、遠位肺発生15、ウイルス感染11、15、およびAEC2関連遺伝病13、16、17をモデル化するために使用されており、AEC2の生物学および再生に関する重要な洞察を可能にしている。しかしながら、これらの培養モデルは、典型的には、1つまたは2つの細胞系譜のみを含み、天然肺胞のアーキテクチャまたはECM基質のいずれかを反復することができないゲル型マトリックスに細胞を埋め込む。
ECMは、分子的、トポロジカル、および機械的手がかりを介して細胞表現型および挙動の重要な調節因子である。幹細胞の運命を調節する組織特異的ニッチの重要な構成要素を含む;局所的に分泌される成長因子18、19、20、21の利用可能性を調節する貯水池として機能する。したがって、天然ECM上で細胞を培養することは、インビボ組織の生物学をモデル化するためのインビトロシステムの予測能力を増加させる可能性がある。脱細胞化は、洗剤、酵素、または物理的もしくは他の方法を介して組織から細胞材料を除去するプロセスであり、慎重に実施すれば、天然器官のECM足場の大部分を保存することができる22,23。このような足場は、3D生体模倣培養のために細胞を再移入することができる。しかしながら、脱細胞化足場は組織工学用途に広く使用されているが、日常的な細胞培養のためのそれらの使用は限られていた。いくつかの以前の研究は、肺スライスまたは小さな肺組織セグメントの脱細胞化および再細胞化を報告している。概念実証研究24,25,26に加えて、再移入肺スライスは、線維芽細胞-マトリックス接着27,28を研究し、線維芽細胞表現型に対する罹患肺マトリックスの影響を調査するために使用されている27,29。精密に切断された組織スライスを生成するために利用可能な改良された技術により、脱細胞化肺スライスは、肺胞、気道、および血管部分構造を維持しながら、細胞を培養するための便利で小規模のプラットフォームを提供することができる。複数の細胞タイプを組み込むことで、生理学的に関連する3D環境内での細胞間相互作用の研究が可能になります。しかし、培養プロセス全体を通して組織の取り扱いを容易にし、既知の数の細胞で組織を制御および再現性のある播種を確実にするために、改善された戦略が必要である。
ここでは、脱細胞化精密切断肺スライス(PCLS)に一次内皮細胞、AEC2s、および線維芽細胞を再移入することによって、人工肺組織(ELT)を生成するためのプロトコルを提示する。先に述べた人工心臓組織システム30および肺全体の脱細胞化-再細胞化戦略22,31の適応において、我々は、ラット肺からPCLSを切断し、下流の操作を簡素化および標準化する再利用可能な組織培養カセットにスライスをクリップする手順を説明する。クリッピングされたスライスは、非細胞ECM足場を形成するために脱細胞化され、カスタマイズされた播種浴に再移入される。肺スライス足場は、重要なECMコンポーネントとアーキテクチャを保存し、少なくとも7日間、多系統肺胞様構造内のAEC2の成長をサポートします。ELTは、生理学的に関連する3Dマトリックス内の新しい肺胞共培養システムであり、AEC2sおよび肺胞の基本的な生物学的研究を促進しながら、肺組織工学戦略の開発をサポートするはずである。
この論文では、多系統肺胞様構造を含むインビトロで操作された肺組織を生成するためのプラットフォームとして、脱細胞化精密切断肺スライスの使用について説明する。全肺工学22,31用の高忠実度無細胞ECM肺足場を再移入するために以前に開発した戦略と、小規模で操作された心臓組織30を培養するための堅牢なシステムを組み合わせることにより、このプロトコルは、生理学的に関連する肺ECMを組織培養基質として、反復可能かつ中程度のスループットの方法で使用することができます。
ここで提示された方法は、ラット肺からのELT足場調製を詳述し、容易に達成可能であり、アガロース膨張のために無傷の気道に直接アクセスして 一括 して抽出することができ、マウス肺よりも大きいサイズである。しかしながら、アガロースで膨張させ、長さが少なくとも9mmのスライスを生じることができる任意の肺組織を、このシステム内で使用することができる。組織源に関係なく、アガロースによる肺組織の均一な膨張は、下流組織スライス、クリッピング、および組織処理を確実に成功させるための最も重要なステップです。膨らみすぎた肺組織はきれいにスライスされない傾向がありますが、膨らみすぎた組織はクリッピング中に裂けることがあります。アガロースゲル化に続いて、適切に膨張した組織領域はしっかりしているが、鉗子で穏やかに押すと少し与える。無傷のラット肺の場合、抽出した肺を空気で数回事前に膨張させ、抽出後できるだけ早くアガロースインフレーションを行うと、最良のスライス結果と結果として得られる組織足場の最高の品質が得られることを見出した。アガロースの適切な量は経験的に最適化する必要があります。ラットの肺の場合、肺を総肺容量まで膨らませるのに必要な体積は約30mL/kgの動物質量(例えば、350gラットの肺の場合は10.5mLアガロース)である。気道アクセスがあまり単純ではないより大きな切除肺組織(ヒトドナーからのものなど)の場合、気管支32を介して組織を膨らませるために、いくつかの追加のトラブルシューティングが必要となり得る。その後の肺スライスの間、プランジャー上の組織の選択および配向は、1)スライスが組織培養カセットにクリップすることができる組織ストリップを生成するのに十分な大きさであることを確認し、2)大きな気道または血管を除く実質(肺胞)組織面積を最大化するためのもう1つの重要なステップである。
PCLSを組織培養カセットにクリッピングすることは、最初は困難なステップになる可能性がありますが、カセットは脱細胞化および播種中の組織ハンドリングを大幅に簡素化します。起こり得る2つの潜在的な問題は、組織の引き裂き(クリッピングのプロセス中、または脱細胞化の間のいずれか)、または下流の播種が不十分になるクリップ内の組織位置決め(例えば、播種なし、または端部のみの播種)である。引き裂きは、アガロースのオーバーインフレーション、タブ挿入時の組織のオーバーストレッチ、またはタブを挿入するときに適切な組織グリップを提供するにはオーバーハングが少なすぎる結果である可能性があります。片方のクリップの端で裂けたスライスは正常に播種され得るが、組織が平坦ではないため、培養中に顕微鏡下で視覚化することは困難である。貧弱な組織播種( 図6Cのような)は、スライスが2つのクリップの間に平らに横たわっていないため、逆さまにひっくり返したときに播種浴の基部との接触が良好に悪くなるためである可能性が高い。別の考えられる原因は、播種浴の底部にカセットをうまく不適切に装着することである。クリッピングに関しては、2番目のクリップを配置するときに組織に少しだけ張力を加えて、平らに横たわるようにします。いくつかのスライスはわずかに凹みを持っています。このような場合は、凸面を上にしてスライスをクリップします。練習では、通常、スライスの2%未満でシードに失敗します。
このプロトコルの1つの制限は、ELT準備の初期材料を生成するために、レーザーカッターと3Dプリンタなどの特殊な機器の要件です。しかし、組織培養カセットおよび播種浴が作成されると、追加の特別な材料は必要ありません。ELT足場調製物の肺スライスおよび脱細胞化ステップは、適度に時間がかかる。しかしながら、これらのステップは、事前に、または同時に複数の実験の準備をするのに十分な数で実行してもよい。多くのPCLS(実質領域用に最適化する場合は>100)は、単一の肺から切断し、後で使用するためにスナップ凍結することができます。単一の凍結融解サイクルがECM46に軽微な超構造的損傷を引き起こす可能性があるが、複数の凍結融解サイクルでさえ、ECM23、47において有意な損失を引き起こさないことが実証されている。PCLSはまた、実験に先立ってクリッピングおよび脱細胞化され、1ヶ月以内に使用されるようにしてもよい。(注目すべきことに、記載された脱細胞化プロトコルは、約6時間で達成することができ、これは、1日以上を必要とする前述の方法に対する有意な利点を表す27、28。足場が準備されると、細胞播種プロセスは簡単で高速であり、ELTの培養は特別な技術を必要としない。
記載されたELT法の警告は、領域特異的な播種の欠如、すなわち、血管空間へのAEC2s特異的な送達、または血管空間への内皮細胞特異的な送達である。それにもかかわらず、細胞は単に組織足場の上に播種されるが、再細胞化のパターンは非ランダムであり、上皮リングを含む肺胞様組織のいくつかの類似性を有する。我々は、細胞間相互作用、ならびにECM組成および幾何学的形状20,21の局所的な差異が、観察された再細胞化パターンに寄与している可能性が高いと疑っている。この仮説を支持するために、線維芽細胞を脱細胞化肺スライスに非特異的に播種した以前に発表された研究は、組織再集団化および関連する細胞表現型のパターンが、顕微鏡組織領域およびECM足場源(例えば、健康なか罹患したか)によって有意に異なることを実証した27。線維芽細胞はまた、間質−それらが天然の肺組織に存在する場所1、27に侵入することが観察された。真に地域特異的な方法で肺スライス上の細胞を培養することが想像できる主要な代替方法は、気道31、48および血管区画49、50を介して無傷の脱細胞化肺を播種し、次いで再細胞化組織をスライスすることを含むであろう。ただし、この代替案 1) は、コスト、時間、およびリソースを大量に消費します。2)はスループットが低い。3)動物の数を増やす必要があります。4)は、肺培養全体およびその後の播種された肺のスライスの課題による汚染のリスクの増加と関連している。ELTプラットフォームは、天然の細胞組織のすべての側面を要約するわけではありませんが、生理学的に関連するECM基板上で、より多くのラボがアクセスできる方法で肺細胞培養を可能にします。
ELTシステムの柔軟性は、このプラットフォームの主な利点であり、任意の数の組織足場、細胞、または関心のある培養培地を用いた小規模の肺組織培養を可能にするべきである。罹患組織または傷害モデルに由来する足場の使用は、疾患改変ECM 27,29,51の設定における細胞間相互作用または細胞−マトリックス相互作用の研究を可能にし得る。しかしながら、脱細胞化プロトコルは、種52間のマトリックスの違いを説明するために適合させる必要があるかもしれないことに留意されたい。記載された播種戦略は、任意の細胞タイプに使用でき、培養タイムラインは研究者のニーズに合うように適合した。出発点として、足場あたり1 x106細胞は培養後7日以内に高度に細胞組織を生成するはずであるが、1 x105の総細胞は細胞性不良をもたらす。タイムラインの任意の適応において、組織培養カセットは、最後の組織播種後24時間後に播種浴から除去されるべきである。ここでは、肺胞の細胞の複雑さの一部をモデル化することを目的として、肺胞様構造における高分化新生児AEC2の維持を少なくとも7日間サポートする三培養再細胞化戦略について説明する。我々の結果はまた、ELTにおける線維芽細胞および内皮細胞の両方の生着の成功を実証し、培養基材の広範な適用性および共培養研究への適合性を強調している。成体細胞をELTに播種すると、より静止した肺胞構造のモデリングが容易になるかもしれないが、遺伝子組み換えを含むヒトPSC由来AEC2sを播種すると、ヒト疾患の翻訳研究が容易になる可能性がある13,53。一般に、ELTプラットフォームによって可能になるボトムアップアプローチは、AEC2増殖や分化状態など、関心のある読み出しに対する特定の細胞タイプの寄与を調査する機会を提供します。
要約すると、このプロトコルは、無細胞ECM肺スライス足場内のAEC2s、線維芽細胞、および内皮細胞の共培養研究のために操作された肺組織を生成するための堅牢なシステムを概説する。ELTは、初代AEC2の新規な3D培養戦略であり、今日まで、十分に分化した表現型を維持するために、生理学的でないゲル型マトリックスに典型的に依存してきた6、11、12。現在のプラットフォームは、脱細胞化肺スライス24,25,26,27,28,29の再集団化における以前の研究に基づいているが、いくつかの利点を提供する:1)脱細胞化、播種、および培養中のELT取り扱いを容易にする組織培養カセットシステム。2)各スライス足場に既知の数の細胞を正確に播種するためのカスタマイズされた播種浴;3)上皮細胞、間葉系細胞、および内皮細胞による肺胞組織再増殖を可能にする三培養再播種戦略。したがって、ELTは、天然の肺胞およびAEC2幹細胞ニッチの細胞および基質の複雑さを捕捉する再現性のあるin vitroモデルの作成に向けた重要な一歩である。
The authors have nothing to disclose.
著者らは、このプロトコルで使用される組織培養カセットデザインを開発したLorenzo SewananとJorge Nunez、ビブラートームの使用のためのKaminski研究室、肺スライスの支援のためのMaurizio ChioccioliとJessica Nouws、最初のパイロット実験の支援のためのAllie LaRocco、およびプロトコルの注意深い読書のためのHong Qianに感謝したい。この研究は、NIH助成金F30HL143880(K.L.L.)、医学科学者トレーニングプログラムトレーニンググラントT32GM136651(K.L.L.)、およびU01HL145567(L.E.N.)によって支援されました。Humacyte Inc.(L.E.N.)からの無制限の研究ギフトによって。
3D Printer: Form 2 | Formlabs | ||
3-Isobutyl-1-methylxanthine (IBMX) | Sigma | I5879 | |
8-Bromo cAMP | Sigma | B7880 | |
Agarose, UltraPure LMP | Invitrogen | 15517-014 | |
Amphotericin B | Sigma | A2942 | |
Barbed reducer fitting, 3/8 inch x 1/4 inch | McMaster-Carr | 5121K271 | |
Benzonase nuclease | Sigma | E1014 | |
Bovine serum albumin (BSA) Fraction V | Gemini | 700-104P | For AEC2 growth medium |
Bovine serum albumin (BSA), standard grade | Gemini | 700-100P | For benzonase buffer |
Check valve, polypropylene, 1/8 inch hose barb | Cole-Parmer | SK-98553-10 | |
CHIR99021 | PeproTech | 2520691 | |
Clear Resin, 1 L | Formlabs | RS-F2-GPCL-04 | |
Cyanoacrylate glue, such as Krazy Maximum Bond Permanent Glue | Any hardware, craft, or drug store | KG483 or similar | |
Dexamethasone | Sigma | D4902 | |
DMEM (low glucose) | Gibco | 11885-084 | |
DMEM (high glucose) | Gibco | 11965-092 | |
DNA assay (Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit) | Invitrogen | P7589 | |
EDTA, 0.5 M, pH 8.0 | AmericanBio | AB00502-01000 | |
EdU kit (Click-iT EdU Cell Proliferation Kit for Imaging, Alexa Fluor 647) | Invitrogen | C10340 | Used according to manufacturer's directions |
Elbow fitting, 3/8 inch | McMaster-Carr | 5121K907 | |
F12 | Gibco | 11765-054 | |
Fetal bovine serum (FBS), characterized | Hyclone | SH30071.03 | |
Gentamicin sulfate | Gemini | 400-100P | Reconstituted in diH2O for a stock solution at 50 mg/mL |
Hair clippers | Wahl | MiniArco | |
Hank's balanced salt solution (HBSS), Phenol Red Free | Gibco | 14175-095 | |
Heparin sodium injection, USP, 1000 U/mL | Sagent | NDC: 25021-400-30 | For intraperitoneal and intracardiac injection |
Heparin sodium salt | Sigma | H4784 | For pulmonary artery perfusion; prepare stock solution at 100 U/mL in PBS |
HEPES Buffer | Corning | 25-060-Cl | |
Inline tee fitting, 3/8 inch x 1/8 inch | McMaster-Carr | 5121K851 | |
Inoculating loop, disposable | Fisherbrand | 22-363-600 | |
Insulin from bovine pancreas | Sigma | I6634 | |
Ketamine injection, 100 mg/mL | Covetrus (Butler Animal Health) | 010177 | |
KGF, recombinant human | PeproTech | 100-19 | |
Laser cutter, VLS 3.50 30 watt | Universal Laser Systems | ||
L-glutamine | Gibco | 25030-081 | |
Luer-lock, female, 3/32 inch | Cole-Parmer | 45508-02 | |
Luer-lock, male, 1/8 inch | Cole-Parmer | 30800-24 | |
Luer-lock, male, 1/4 inch | McMaster-Carr | 51525K146 | |
MCDB-131 Complete without serum | VEC Technologies | MCDB-131 WOFBS | |
Magnesium chloride (MgCl2), 1 M | AmericanBio | AB09006-00100 | |
NaCl | American Bioananalytical | AB01915 | |
Phosphate buffered saline (PBS), without Ca2+ and Mg2+, 10X | Sigma | D1408 | Reconstitute to 1X with diH2O |
Phosphate buffered saline (PBS), with Ca2+ and Mg2+ | Gibco | 21300-058 | |
PDMS – SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning Corporation | 4019862 | |
Penicillin/Streptomycin (10,000 U/mL penicillin/10,000 μg/mL streptomycin) | Gibco | 15140-122 | |
Petri dish, 150 mm | Falcon | 351058 | |
Plastic film (parafilm) | Bemis | PM-996 | |
Pharmed BPT tubing, LS 16 | Masterflex | 06508-16 | |
Pharmed BPT tubing, LS 17 | Masterflex | 06508-17 | |
Platinum-cured silicone tubing, LS 14 | Masterflex | 96420-14 | |
Platinum-cured silicone tubing, LS 16 | Masterflex | 96420-16 | |
Platinum-cured silicone tubing, LS 36 | Masterflex | 96410-36 | |
Poloxamer 407 (Pluronic F-127) | Sigma | P2443 | |
Povidone/iodine prep pads, 10% | Dynarex Corporation | 1108 | |
PTFE sheet, 0.060 inch (1/16 inch) thick | ePlastics | PTFENAT0.060X12X12 | For tissue culture cassette tabs |
PTFE sheet, 0.093 inch (3/32 inch) thick | ePlastics | PTFENAT0.093X12X12 | For tissue culture cassette frames and clips |
Peristaltic pump drive: Masterflex L/S Variable-Speed Digital Drive | Cole-Parmer | ZM-07528-30 | |
Peristaltic pump head: Masterflex L/S Easy-Load II Pump Head | Cole-Parmer | EW-77202-60 | |
Rat, Sprague Dawley | Charles River | Strain Code: 400 | |
Razor blade | Any hardware or craft store | Personna 94-120-71 or similar | |
Retinoic acid | Sigma | R2625 | |
Rotary blades, 28 mm | Omnigrid | 2046 | |
Rotary cutter, 28 mm | Olfa | Model 9551 | |
Sodium deoxycholate (SDC) | Sigma | D6750 | |
Sodium nitrorusside (SNP) | Sigma | 71778 | |
Stopcock, 4-way | Edwards | 594WSC | |
Suture, 4-0 monofilament polypropylene | Covidien | VP-557-X | |
Syringe, 10 mL | BD | 302995 | |
Syringe, 50 mL | BD | 309653 | |
Tissue culture dish, 35 mm | Falcon | 353001 | |
Tissue culture dish, 100 mm | Corning | 430167 | |
Tissue culture plate, 6-well | Falcon | 353046 | |
Tissue culture plate 12-well | Falcon | 353043 | |
Transferrin human | Sigma | T8158 | |
Tris, 1 M solution, pH 8.0 | AmericanBio | AB14043-01000 | |
Triton X-100 | American Bioanalytical | AB02025-00500 | |
Vibratome, Compresstome VF-300-0Z | Precisionary Instruments LLC | ||
Xylazine, 100 mg/mL | Henry Schein | NDC: 11695-4022-1 | |
Y-connector, 1/16 inch barbed | Cole-Parmer | 30614-43 |